高精度氮化硅陶瓷球批量加工研磨工藝研究*

林明星，呂冰海，袁巨龍*，鄧乾發，孟玲峰

（1.浙江工業大學特種裝備制造與先進加工技術教育部/浙江省重點實驗室，浙江杭州310014；2.江蘇智邦精工科技有限公司，江蘇常州213164）

0 引言

以氮化硅為代表的先進陶瓷具有低密度、高硬度、高剛度、抗磨損、低熱膨脹系數、化學穩定性和熱穩定性好等極為優良的綜合性能，被認為是目前制造高速、高精度軸承滾動體的最佳材料［1-2］。國內目前還沒有較為成熟穩定的工藝對高精度氮化硅陶瓷球進行批量加工。目前對于高精度氮化硅陶瓷球來說，G3級是陶瓷球精度最高的等級，其技術指標為表面粗糙度R a≤0.01 μm；球度ΔS ph≤0.08 μm。傳統工藝加工的氮化硅精密陶瓷球存在表面損傷等缺點，加之市場需求量的劇增，也亟需在短時間內探究出適合批量生產高精度氮化硅陶瓷球的穩定工藝。

一直以來，國內外諸多學者都對陶瓷球研磨加工進行了很多試驗研究，提出了各自的研磨方式、加工工藝，但在批量生產方面都存在一定的問題。本研究是在傳統氮化硅陶瓷球研磨加工的基礎上進行高精度氮化硅陶瓷球批量研磨加工實驗，通過調節各工序主要因素，結合顯微鏡照片分析各個工序所選磨料對陶瓷球表面質量及去除率的影響，對成品陶瓷球進行球度、表面粗糙度、振動值等指標檢測，最終實現穩定批量生產G3級氮化硅陶瓷球的目的。

1 陶瓷球研磨方式的研究

陶瓷球的研磨方式對陶瓷球表面研磨均勻性起著重要的作用，進而影響陶瓷球的精密程度。日本金澤大學的黑部利次等人［3］提出了一種自轉角主動控制研磨方式，該研磨方式有利于球坯表面獲得均勻、高效的研磨，但其裝置機構復雜，目前僅限于理論研究。為了實現陶瓷球的高速研磨，Tani和Kawata［4］提出了磁流體研磨方式（MFP，Magnetic Fluid Polishing），采用該方法對陶瓷球進行加工，其材料去除率可達到12 μm/min，球度可達0.14 μm，平均表面粗糙度0.01 μm，但是由于磁流體成本昂貴且損耗快，不利于批量生產。沈陽建筑工程學院的吳玉厚教授等人［5］對氮化硅陶瓷球的研磨工藝做了大量的研究，探明了研磨工藝的影響因素對加工效率及表面粗糙度的作用。為提高精密球的球度和加工一致性，浙江工業大學超精密研究中心提出了一種新型的精密球研磨方式—雙自轉研磨方式［6-10］，但該研磨方式目前還處于完善階段。

雖然以上幾種研磨加工方式的工藝均能生產出表面質量好的高精度陶瓷球，但存在成本高、結果復雜等缺點，目前國內還沒有將該工藝用于高精度氮化硅陶瓷球的批量生產。

目前，國內批量生產陶瓷球主要采用V型槽的研磨方式，使用游離磨料研磨或拋光的方法進行加工。研究者將陶瓷球坯放置在V 形槽中，球坯與上、下研磨盤呈三點接觸狀態。研究者通過上研磨盤在球坯上施加壓力，研磨過程中，隨著研磨盤的轉動，球坯在繞著V 形槽公轉的同時進行自轉，通過球坯、研磨盤以及磨料之間的相互作用實現陶瓷球余量去除，從而達到減小球徑、提高圓度和降低表面粗糙度的目的。通過對加工過程中壓力載荷、研磨盤轉速、研磨液配方濃度的控制，可使研磨軌跡均布球坯表面，達到研磨成球的幾何條件。

研磨過程中，研磨跡線能否均勻地分布于球體表面是獲得高精度球的關鍵。此外，還需滿足研磨成球的物理條件：①切削等概率性：每顆被加工球表面上每個質點都有相同的切削加工概率；②磨削尺寸選擇性：在加工過程中，磨大球，不磨或少磨小球；③磨長軸方向，不磨或少磨短軸方向［11-14］，通過定時改變陶瓷球在上、下研磨盤之間溝道的運動達到隨機概率成球的效果。

陶瓷球研磨加工原理如圖1所示。

圖1 陶瓷球研磨過程

2 批量生產G3 級氮化硅陶瓷球實驗

2.1 實驗條件

該實驗選用立式球體研磨機，選用直徑為800 mm的研磨盤，選用Φ7.938 mm 氮化硅陶瓷球5 000 粒進行加工實驗。各個研磨階段的實驗條件如表1所示。所加工的氮化硅陶瓷球的部分力學性能如表2所示。

表1 研磨條件

表2 氮化硅部分性能

2.2 實驗過程

在正式加工實驗之前會進入壓溝環節，本研究用放置的球將下磨盤的V型槽修整平滑一致，為正式研磨做好準備。實驗分為以下5 個工序：粗研、半精研、精研、超精研、拋光。各個工序實驗條件從表1 可知：在粗研、半粗研環節分別選用碳化硅（黑）#60、#240；精研、超精研階段分別選用碳化硅（綠）W7和W1.5磨料，最終拋光選用W1.5金剛石研磨膏配制研磨液，整個實驗過程的研磨液濃度控制在10～15 wt%，轉速也從粗研的50 r/min逐漸減小到拋光的15 r/min，壓力從粗研的10 N/球減小到1 N/球，拋光前的所有工序選擇水為研磨基液，而拋光階段選煤油為基液，通過加入適量的機油調節研磨液的粘稠度。

加工完畢，本研究采用Mahr圓度儀對陶瓷球進行球度檢測，采用S9502-A型球體振動測量儀對最終成品球振動值進行檢測，采用顯微鏡對各個工序加工完畢的球進行表面質量拍照記錄，采用Veeco 表面粗糙度儀對加工完的成品球表面粗糙度進行檢測。最終加工完成的氮化硅成品球如圖2所示。

圖2 加工完畢的氮化硅成品球

3 結果與討論

3.1 球度檢測及分析

圖3 各研磨階段球度變化

本研究對同一顆球3個相互垂直方位的圓度進行檢測，取最大值作為該球的球度。各階段結束，隨機抽樣陶瓷球20粒進行球度檢測，得出球度平均變化如圖3所示。從圖3可知：從粗研到半精研，陶瓷球的球度從10 μm降低至1 μm。這是因為這個階段，球坯本身表面較為粗糙，當磨料粒度、壓力和轉速較大時，材料去除比較多，球度變化較大。從半精研到拋光階段，球度從1 μm逐漸降低到0.08 μm以下，這是因為通過調節磨料粒度、壓力及轉速變小，陶瓷球表面受力減小，表面逐漸變好，球度也逐漸變好。在拋光結束，最終陶瓷球球度達到0.08 μm 以下。拋光完畢，筆者隨機抽樣20 粒陶瓷球進行球度檢測，平均值為0.065 μm，最大值為0.07 μm，得到球度很好的超光滑表面。對其中一顆成品球球度檢測的結果如圖4所示。

圖4 成品球球度檢測

3.2 陶瓷球表面質量分析

本研究使用500倍顯微鏡對每個研磨階段陶瓷球表面質量拍照記錄的圖片如圖5所示。由圖5 可知：在粗研結束后，陶瓷球表面存在劃痕和凹坑等缺陷，這主要是因為在粗磨階段，#60SiC（黑）磨料粒度較大，壓力控制在每球10 N，對陶瓷球去除以脆性形式為主，雖對陶瓷球表面去除余量較大，但是表面質量較差，粗研和半精研階段出現了裂紋、劃痕和凹坑等比較明顯的缺陷。隨著進一步研磨，通過調節研磨液磨料的種類、研磨壓力、研磨盤轉速，在拋光階段，壓力控制在1 N/球，轉速控制在15 r/min，選用粒度較?。╓1.5）的金剛石研磨膏配制研磨液，對陶瓷球去除以塑性形式為主，劃痕、凹坑等缺陷得到改善，最終加工的陶瓷球表面質量逐漸趨好且無劃痕、凹坑及裂紋等表面缺陷。

本研究使用Veeco表面粗糙度儀對加工完的成品球表面粗糙度進行檢測的結果如圖6所示，由圖6 可知：采用該工藝實驗后的成品陶瓷球表面粗糙度達到1.48 nm，得到超光滑的表面，達到G3級標準。

3.3 不同階段去除率分析

圖5 各研磨階段陶瓷球表面質量變化（500X）

從粗磨階段到拋光每個階段的去除率如圖7所示。由圖7可知：在粗磨、半精研階段，材料去除率較大，達到2 μm/h～4 μm/h，這是因為選用粒度較大的碳化硅（黑）#60、#240磨料，壓力在10 N/球，轉速控制在50 r/min，研磨液濃度控制在15 wt%左右的情況下，材料主要以脆性形式去除；而隨著研磨進行，所選磨料粒度逐漸變小，壓力、轉速和濃度也相對減小，此時材料主要以塑性形式去除，因而去除率也隨之減到0.2 μm/h，為粗研階段的5%。

圖6 表面粗糙度檢測

圖7 不同階段的去除率

3.4 振動值對比分析

振動值是高精度氮化硅陶瓷球表面質量、球度和材料均勻性等的一個綜合性能指標，根據高精度氮化硅陶瓷球在實際加工生產中的經驗，一般振動值低于28 dB 的陶瓷球可視為G3 級陶瓷球。筆者隨機抽樣成品球50 粒與同類規格的法國和國內某公司標稱為G3 級的各100 粒氮化硅陶瓷球進行振動值檢測對比。采用該工藝加工完畢的陶瓷球與同類規格標稱為G3 級的法國和國內某公司生產的陶瓷球分別分組，標為A、B、C 3組，對其進行振動值檢測。

檢測平均振動值對比結果如圖8所示。通過該工藝實驗的A 組陶瓷球振動值范圍在22 dB～25 dB，平均振動值達到24 dB，法國的B 組陶瓷球振動值范圍在25 dB～27 dB，平均振動26 dB，C組為國內某公司生產的陶瓷球振動值范圍在27 dB～28 dB，平均振動值為28 dB。由此可知：采用該工藝的陶瓷球已經達到G3級陶瓷球標準，且優于同類產品。

圖8 振動值對比

4 結束語

通過采用該工藝對氮化硅陶瓷球進行批量加工實驗，各個工序加工完畢后，本研究對陶瓷球進行了球度、表面粗糙度、振動值檢測，并得出了以下結論：

（1）從粗研到半精研階段，陶瓷球本身表面比較粗糙，當加載壓力、磨料粒度較大時，材料去除比較多，球度變化也比較大；通過對精研到拋光階段磨料粒度、壓力、轉速和研磨液濃度的控制，陶瓷球材料去除率逐漸減小，球度逐漸變好，最終球度達到0.062 μm以下；

（2）在粗研到半精研階段，壓力、轉速、磨料粒度較大，陶瓷球以脆性形式去除，陶瓷球表面出現裂紋、凹坑和劃痕等缺陷；精研到拋光階段，隨著壓力、轉速及磨料粒度等減小，材料主要以塑性形式去除，表面粗糙度逐漸降低，最終的成品球表面粗糙度Ra 達到1.48 nm以下，得到超光滑表面；

（3）通過與法國及國內某公司標稱為G3 級同規格的氮化硅陶瓷球產品進行振動值檢測對比，采用該工藝的成品球平均振動值達到24 dB，且優于對比的同類產品；

綜上所述：采用該工藝后，加工完畢的氮化硅陶瓷球能夠批量生產，并達到G3級標準。

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